МНОГОМАТРИЧНАЯ МУЛЬТИВЕКТОРНАЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2025 года по МПК F02K9/80 F02K9/08 B64G1/40 B64G1/26 

Изобретение относится к двигательным ракетным системам с цифровым управлением для малоразмерных космических аппаратов (МКА) и предназначено для использования в качестве маневрового двигателя с мультивекторной тягой при выполнении операций коррекции траектории полета, стыковки, ориентации, развертывания свернутых в рулон монтажных подложек радиоэлектронных систем, гибких солнечных батарей бинарных космических аппаратов (БКА).

Известна реверсивная матричная ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой реверсивной двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую монолитную термостойкую диэлектрическую подложку с упорядоченной прямоугольной матричной структурой конусообразных микропор, заполненных твердым топливом, с двухсторонней встречно направленной ориентацией вершин конусообразных микропор, ранжированных по объему в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16-…-n). На центры оснований конусообразных микропор наложены сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрующими отверстиями шин строк и столбцов первой и третей термостойких мембран, на которые наложены вторая и четвертая термостойкие диэлектрические мембраны со сквозными конусообразными микропорами, образующие реверсивные двигательные ячейки, коммутатор адресов двигательных ячеек, первый и второй дешифратор строк, дешифратор столбцов, дешифратор данных, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций контролер [1].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности реконфигурации вложенных цилиндрообразных МТД-подложек с упорядочено размещенными на их поверхностях матричными структурами двигательных ячеек с мультивекторными направлениями тяг.

Наиболее близким по технической сущности является мультивекторная матричная ракетная двигательная система с цифровым управлением величиной и направлением тяги двигательных ячеек для малоразмерных космических аппаратов, содержащая монолитные термостойкие диэлектрические (МТД) подложки с размещенными на их поверхности прямоугольными матричными структурами ранжированных по объему в пропорциях последовательных степеней числа два конусообразных микропор, заполненных твердым топливом, термостойкие диэлектрические мембраны с упорядоченными микропорами образующие сопла, сферические воспламенители, закрепленные в сквозных цилиндрических микропорах и зажатые центрирующими отверстиями адресных шин строк и столбцов, дешифратор данных, дешифраторы строк и столбцов, коммутатор адресов двигательных ячеек, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных комбинаций, контроллер [2].

Недостатком известного технического решения является отсутствие возможности реконфигурации вложенных цилиндрообразных МТД-подложек с упорядочено размещенными на их поверхностях матричными структурами двигательных ячеек с мультивекторными направлениями тяг.

Отличие предлагаемого технического решения от вышеизложенных заключается в ведении трех цилиндрообразных, вкладываемых одна в другую МТД-подложек, с последовательно уменьшающимся наружным диаметром, что позволило создать компактную, реконфигурируемую конструкцию.

Введение ранжированных цилиндрических твердотопливных двигательных элементов, сопла которых выставлены под положительными углами на второй цилиндрообразной МТД-подложке и под отрицательными углами на третей цилиндрообразной МТД-подложке, относительно осей конусообразных двигательных элементов расположенных на первой цилиндрообразной МТД-подложке позволило с помощью создания закручивающих симметричных реактивных тяг (с противоположных боковых сторон цилиндрообразных МТД-подложек) имеющих векторы направления близких к касательным цилиндрообразных МТД-подложек, осуществить реверсивные вращения вокруг центральной оси или прецизионный поворот на заданный угол (по часовой стрелке или против часовой стрелки) и его удержание.

Введение выдвижной телескопической штанги соединенной с реверсивным шаговым двигателем позволило изменять конфигурацию двигательной системы за счет выдвижения закрепленных на телескопической штанге цилиндрообразных МТД-подложек друг относительно друга на заданною величину, так и управлять расстоянием нахождения двигательных ячеек от центра масс космического аппарата при прецизионных маневрах и ограниченных запасах топлива или при формировании альтернативных режимов тяги и оптимизации расхода топлива, вызванных повреждениями некоторых двигательных ячеек в результате столкновения с микрочастицами в космосе, в точках повышенной их концентрации (например, в окрестностях точек Лагранжа L4 и L5 системы Земля-Луна).

Введение связи соединяющей выход блока памяти альтернативных кодовых комбинаций с входом контроллера выход, которого соединен с шаговым двигателем управляющим величиной выдвижения телескопической штанги позволило кодовой комбинацией с выхода блока памяти альтернативных кодовых комбинаций осуществлять коррекцию величины реконфигурации (изменение геометрического положения МТД-подложек относительно корпуса БКА в зависимости от расхода топлива для оптимизации работы двигательной структуры).

Введение коммутатора выборки двигательных матриц соединенного с формирователями адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек, позволило включать сферические воспламенители топливных зарядов в строго определенных двигательных ячейках, расположенных в трех цилиндрообразных МТД-подложках, согласно их идентификационных номеров.

Техническим результатом является возможность реконфигурации вложенных цилиндрообразных МТД-подложек с упорядочено размещенными на их поверхностях матричными структурами двигательных ячеек с мультивекторными направлениями тяг.

Технический результат предложенного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: многоматричная мультивекторная реконфигурируемая двигательная система для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую квадратную и цилиндрообразную МТД-подложки с размещенными на их поверхностях прямоугольными матричными структурами, ранжированных по объему в пропорциях последовательных степеней числа два конусообразных двигательных элементов, заполненных твердым топливом со сферическими воспламенителями со стороны сопла, образующие упорядоченные массивы двигательных ячеек, шины управления, дешифратор данных, дешифраторы строк и столбцов, коммутатор адресов двигательных ячеек, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, контроллер, коммутатор выборки двигательных матриц, формирователи адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек, три цилиндрообразных МТД-подложки большого, меньшего и наименьшего диаметра, вкладываемых одна в другую, центры оснований которых проходят через центральную ось и соединены с соответствующими элементами окончаний секций выдвижной телескопической штанги, соединенной механически для двунаправленного линейного перемещения ее элементов по направлению центральной оси относительно друг друга с реверсивным шаговым двигателем, соединенным электрически с управляющим выходом контроллера, причем ранжированные по объему двигательные элементы двигательных ячеек размещенных на боковых поверхностях цилиндрообразных МТД-подложек меньшего и наименьшего диаметра, создающие тяги для осуществления реверсивного вращения, вокруг центральной оси имеют цилиндрические формы, а направления их осей имеют соответственно отрицательные и положительные углы наклона относительно осей ранжированных по объему конусообразных двигательных элементов двигательных ячеек, оси которых расположены перпендикулярно основной оси и размещены на боковой поверхности цилиндрообразной МТД-подложки большего диаметра, все сферические воспламенители ранжированных двигательных элементов одной из своих вершин соединены с соответствующими столбцовыми шинами, которые соединены с выходами формирователей адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек, информационные входы которых соединены с выходами дешифратора столбцов, а входы выборки с выходами коммутатора выборки двигательных матриц, вход которого соединены с информационным выходом блока памяти альтернативных кодовых комбинаций, управляющий выход которого соединен с входом управления контроллера.

Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1-5, где: на Фиг. 1 приведена многоматричная мультивекторная реконфигурируемая двигательная система для малоразмерных космических аппаратов в компактном состоянии. На Фиг. 2 приведена многоматричная мультивекторная реконфигурируемая двигательная система для малоразмерных космических аппаратов в развернутом состоянии. На Фиг. 3 приведена многоматричная мультивекторная реконфигурируемая двигательная система для малоразмерных космических аппаратов в разрезе по линии сечения А-А. На Фиг. 4 приведен выносной элемент Б (10:1) в увеличенном масштабе и разрезе, поясняющий организацию двоичной структуры (1-2-4-8-16) распределения объемов топливных зарядов в двигательных ячейках и угловое расположение двигательных элементов относительно друг друга. На Фиг. 5 представлена структурная блок-схема многоматричной мультивекторной реконфигурируемой двигательной системы для малоразмерных космических аппаратов.

Многоматричная мультивекторная реконфигурируемая двигательная система для малоразмерных космических аппаратов (ММРДС) Фиг. 1-5 содержит плоскую квадратную МТД-подложку с размещенной матричной структурой двигательных ячеек 1, первую цилиндрообразную МТД-подложку большего диаметра с размещенной матричной структурой двигательных ячеек 2, вторую цилиндрообразную МТД-подложку меньшего диаметра с размещенной матричной структурой двигательных ячеек 3, третью цилиндробразную МТД-подложку наименьшего диаметра с размещенной матричной структурой двигательных ячеек 4, двигательные ячейки 5 размещенные на первой цилиндрообразной МДТ-подложке 2 состоящие из ранжированных по объему конусообразных двигательных элементов 6-10 заполненных твердым топливом в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16), оси которых размещены под прямым углом относительно центральной оси, первую термостойкую мембрану 11, вторую термостойкую мембрану 12 с конусообразными упорядоченно размещенными отверстиями, образующие сопла 13, сферические воспламенители 14, шины выборки воспламенителей по столбцам 15, шины выборки воспламенителей по строкам 16, двигательные ячейки 17 упорядочено размещенные на поверхности второй цилиндрообразной МТД-подложки 3 состоящие из ранжированных по объему цилиндрических двигательных элементов 18-22 заполненных твердым топливом в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16) оси которых расположены под отрицательными углами относительно осей конусообразных двигательных элементов 6-9, третью термостойкую мембрану 23, четвертую термостойкую мембрану 24 конусообразные отверстия в которой образуют сопла 25, сферические воспламенители 26, шины выборки воспламенителей по столбцам 27, шины выборки воспламенителя по строкам 28, двигательные ячейки 29 упорядочено размещенные на поверхности третей цилиндрообразной МТД-подложки 4 состоящие из ранжированных по объему цилиндрических двигательных элементов 30-34 заполненных твердым топливом в пропорциях последовательных степеней числа два (1-2-4-8-16) оси которых расположены под положительными углами относительно осей конусообразных двигательных элементов 6-9, пятую термостойкую мембрану 35, шестую термостойкую мембрану 36 конусообразные отверстия в которой образуют сопла 37, сферические воспламенители 38, шины выборки воспламенителей по столбцам 39, шины выборки воспламенителя по строкам 40, контроллер 41, блок памяти отработанных кодовых комбинаций 42, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций 43, дешифратор данных 44, дешифратор строк 45, дешифратор столбцов 46, коммутатор двигательных ячеек 47, коммутатор выборки двигательных матриц 48, формирователь адресов активируемых воспламенителей двигательной ячейки 49, реверсивный шаговый двигатель 50, четырех секционную выдвижную телескопическую штангу 51. На Фиг. 1 и Фиг. 2 также приведен элемент корпуса БКА 52. Количество формирователей адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек 49 равно суммарному количеству матричных двигательных структур, размещенных на цилиндрообразных МТД-подложках 1-4. На Фиг. 1, Фиг. 2 штрихпунктирной линией -обозначена центральная ось, расположенная по центру первой 2, второй 3, третей 4 цилиндрообразных МТД-подложек находящаяся на равных расстояниях от их внутренних боковых поверхностей (Фиг. 3). На Фиг. 4 штрихпунктирной линией со стрелкой - обозначены оси, проходящие через центры двигательных элементов, одновременно указывающие направление тяги каждого двигательного элемента. Символами: +ϕ, ϕ=0, -ϕ, обозначены углы наклона осей двигательных элементов, соответственно положительный угол наклона, угол наклона равный нулю, отрицательный угол наклона.

Для осуществления изобретения в качестве твердых топлив двигательных матриц могут быть использованы компоненты твердых или пастообразных топлив на основе металлов (Be, Al, Mg, Zr, Hf,) и неметаллов (В, С), обладающих высокой энергоемкостью и плотностью, изменение сочетаний компонентов и концентраций которых позволяет корректировать тяговые и энергетические характеристики двигательных ячеек в заданных диапазонах в зависимости от целевого использования ММРДС [3].

Устройство работает следующим образом: на начальном этапе контроллер 41 включает реверсивный шаговый двигатель 50, соединенный с телескопической штангой 51, в результате заданное количество оборотов вала шагового двигателя 50 преобразуется в заданное линейное перемещение вложенных МТД-подложек 2-4, заставляя двигательную систему из компактного исходного состояния (Фиг. 1) переходить в развернутое состояние (Фиг. 2). Управляющее кодовое слово с информационного выхода контроллера 41 (Фиг. 5), поступает на информационные входы блока памяти отработанных кодовых комбинаций 42 и блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 43. Управляющее кодовое слово состоит из кода адреса строк и кода адреса столбцов, определяющих местоположение двигательной ячейки на поверхности МТД-подложки, кода данных, определяющего в двоичном коде величину тяги каждой двигательной ячейки и идентифицирующего кода номера двигательной матрицы. Блок памяти отработанных кодовых комбинаций 42 запоминает коды всех отработанных сферических воспламенителей 14, 26, 38 (в зависимости от их координат размещения) с целью исключения попыток повторного включения отработанных двигательных элементов и, в случае появления повторной кодовой комбинации, выдает команду на блок памяти альтернативных кодовых комбинаций 43 на выдачу заранее смоделированных и введенных перед началом работы таблиц принятия оптимальных решений в конкретных ситуациях в виде множества наборов альтернативных целенаправленных кодовых комбинаций. С информационных выходов блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 43, преобразованные кодовые комбинации через адресные шины строк, столбцов и шину данных одновременно поступают на входы дешифратора столбцов 46, дешифратора строк 45 и вход дешифратора данных 44, определяющего величину тяги двигательной ячейки. Коммутатор адресов двигательных ячеек 47 производит соединение Группы шин строк с группой шин данных каждой двигательной ячейки, задавая кодовой комбинации определенный весовой коэффициент тяги в двоичном коде. Управляющий сигнал выборки двигательной матрицы с блока памяти альтернативных кодовых комбинаций 43 поступает на вход коммутатора выборки двигательных матриц 48, который выдает сигнал на соответствующий формирователь адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек 49, разрешающий прохождение через него кодовой комбинации с выхода дешифратора столбцов 46, которая воспламеняет сферические воспламенители 14 или 26 или 38 двигательных ячеек 5 или 17 или 29, расположенные на пересечении соответствующих шин строк и столбцов. В результате в зависимости от структуры управляемого кодового слова происходит воспламенение топлива в двигательных ячейках, создающих разнонаправленные векторы тяги. Ячейки 5, размещенные на поверхности плоской квадратной МТД-подложки 1 осуществляют линейное движение. Двигательные ячейки 5 размещенные на поверхности цилиндрообразной МТД-подложки 2 осуществляют линейно-угловые перемещения. Двигательные ячейки 17 и 29 размещенные на поверхностях второй 3 и третей 4 цилиндрообразных МТД-подложек осуществляют вращение вокруг центральной оси соответственно по часовой стрелке или против часовой стрелки (реверсивное вращение). В зависимости от требований к скорости и точности выполняемого БКА маневра ячейки могут работать последовательно или параллельно. При расходе определенного количества топлива, в определенных зонах размещения двигательных ячеек 4, 16, 28, блоком памяти альтернативных кодовых комбинаций 43 согласно таблиц принятия оптимальных решений выдается команда на контролер 41 о начале реконфигурации на заданную величину положения МТД-подложек, осуществляемое за счет увеличения или уменьшения длины телескопической штанги 51. Механическое перемещение МТД-подложек с матричной структурой двигательных ячеек 1-4, с помощью выдвижной телескопической штанги 51, позволяет на местоположение частично использованных цепочек двигательных ячеек переместить новые (полностью заправленные топливом), а из остатков не использованных (заправленных), рядом расположенных двигательных элементов (6-10, 18-22, 30-22) сформировать новые, полноценные виртуальные ячейки с распределенными двигательными элементами.

Предложенная конструкция многоматричной мультивекторной реконфигурируемой двигательной системы для малоразмерных космических аппаратов позволяет увеличить количество двигательных ячеек без увеличения наружного диаметра за счет многослойной компоновки вложенных цилиндрообразных МТД-подложек, на которых размещены двигательные матрицы. Осуществлять целенаправленное геометрическое изменение конфигурации многоматричной мультивекторной двигательной системы за счет управляемого выдвижения на заданное расстояние цилиндрообразных МТД-подложек с нанесенными матричными двигательными ячейками. Это позволило целенаправленно корректировать положение двигательных матриц относительно друг друга для оптимального формирования прецизионных разнонаправленных тяг обеспечивающее минимальное количество используемых двигательных элементов при выполнении сложных маневров БКА, что ранее невозможно было осуществить известными двигательными системами, работающими на твердом топливе.

Источники информации

1. Патент RU 2654782 С1, 22.05.2018, F02K 9/94, F02K 9/95, B64G 1/40, В81В 7/04, РЕВЕРСИВНАЯ МАТРИЧНАЯ ракетная двигательная система с индивидуальным цифровым управлением величиной тяги каждой реверсивной двигательной ячейки для малоразмерных космических аппаратов / Линьков В.А., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И., Гусев С.И.

2. Патент RU 2700299 С1, 16.09.2019, B64G 1/40, мультивекторная МАТРИЧНАЯ РАКЕТНАЯ ДВИГАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ВЕЛИЧИНОЙ И НАПРАВЛЕНИЕМ ТЯГИ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ЯЧЕЕК ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ / Линьков В.А., Гусев С.И., Колесников С.В., Линьков Ю.В., Линьков П.В., Таганов А.И.

3. Бакулин В.Н., Дубовкин Н.Ф., Котова В.Н., Сорокин В.А. и др. Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей / Под ред. Л.С. Яновского. - М.: Физматлит, 2009. 400 с.

Изобретение относится к двигательным ракетным системам и предназначено для использования в качестве многоматричной мультивекторной реконфигурируемой двигательной системы малоразмерных космических аппаратов. Система содержит три компактно вложенные одна в другую цилиндрообразные монолитные термостойкие диэлектрические (МТД) подложки с матричной организацией упорядоченного массива двигательных ячеек, состоящих из разнонаправленных ранжированных по объему твердотопливных двигательных элементов. Система содержит штангу для линейного перемещения, реверсивный шаговый двигатель и сферические воспламенители. Управление осуществляется через коммутаторы, дешифраторы, блоки памяти и контроллер. Достигается возможность реконфигурации вложенных цилиндрообразных МТД-подложек с упорядочено размещенными на их поверхностях матричными структурами двигательных ячеек с мультивекторными направлениями тяг. 5 ил.

Многоматричная мультивекторная реконфигурируемая двигательная система для малоразмерных космических аппаратов, содержащая плоскую квадратную и цилиндрообразную МТД-подложки с размещенными на их поверхностях прямоугольными матричными структурами, ранжированных по объему в пропорциях последовательных степеней числа два конусообразных двигательных элементов, заполненных твердым топливом со сферическими воспламенителями со стороны сопла, образующие упорядоченные массивы двигательных ячеек, шины управления, дешифратор данных, дешифраторы строк и столбцов, коммутатор адресов двигательных ячеек, блок памяти отработанных кодовых комбинаций, блок памяти альтернативных кодовых комбинаций, контроллер, отличающаяся тем, что содержит коммутатор выборки двигательных матриц, формирователи адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек, три цилиндрообразных МТД-подложки большого, меньшего и наименьшего диаметра, вкладываемых одна в другую, центры оснований которых проходят через центральную ось и соединены с соответствующими элементами окончаний секций выдвижной телескопической штанги, соединенной механически для двунаправленного линейного перемещения ее элементов по направлению центральной оси относительно друг друга с реверсивным шаговым двигателем, соединенным электрически с управляющим выходом контроллера, причем ранжированные по объему двигательные элементы двигательных ячеек, размещенных на боковых поверхностях МТД-подложек меньшего и наименьшего диаметра, создающие тяги для осуществления реверсивного вращения, вокруг центральной оси имеют цилиндрические формы, а направления их осей имеют соответственно отрицательные и положительные углы наклона относительно осей ранжированных по объему конусообразных двигательных элементов двигательных ячеек, оси которых расположены перпендикулярно основной оси и размещены на боковой поверхности цилиндрообразной МТД-подложки большего диаметра, все сферические воспламенители ранжированных двигательных элементов одной из своих вершин соединены с соответствующими столбцовыми шинами, которые соединены с выходами формирователей адресов активируемых воспламенителей двигательных ячеек, информационные входы которых соединены с выходами дешифратора столбцов, а входы выборки с выходами коммутатора выборки двигательных матриц, вход которого соединен с выходом блока памяти альтернативных кодовых комбинаций, управляющий выход которого соединен с входом управления контроллера.